ફોટૉન

ફોટૉન (અંગ્રેજી: Photon) અથવા પ્રકાશાણુ એ એક મૂળભૂત કણ અને વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ (જેમ કે પ્રકાશ) ઊર્જાનો જથ્થો (ક્વૉન્ટમ) છે. તેમજ તે વિદ્યુતચુંબકીય બળનો વાહક કણ છે. તે $E=h\nu$ ઊર્જા ધરાવે છે. ફોટોન દ્રવ્ય કણની જેમ જ ઊર્જા, વેગમાન અને અન્ય યાંત્રિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. તે સ્થિર દળ (restmass) ધરાવતો નથી એટલે કે ફોટૉનનુ સ્થિર દળ શૂન્ય હોય છે અર્થાત ફોટૉન કદાપિ સ્થિર હોતો નથી. તે શૂન્ય વિજભાર ધરાવતો અને શૂન્યાવકાશમાં પ્રકાશની ઝડપે ગતિ કરતો કણ છે. તેના પ્રચક્રણ (spin)નુ મૂલ્ય ૧ છે તેમજ તે પોતે જ પોતાનો પ્રતિકણ છે, એટલે કે ફોટૉન અને પ્રતિફોટૉન સમાન છે અને તે બે વચ્ચે ભેદ પાડવો અશક્ય છે. ફોટૉન 'કણ અને તરંગ' એમ બંને પ્રકારની પ્રકૃતિ ધરાવે છે. આ કણને સૌપ્રથમ આઇન્સ્ટાઇને વ્યાખ્યાયિત કર્યો હતો.

ફોટૉન

બંધારણ	મૂળભૂત કણ
સાંખ્યિકી	બોઝૉનિક
આંતરક્રિયા	વિદ્યુતચુંબકીય આંતરક્રિયા
સંજ્ઞા	γ
વ્યાખ્યાયિત	આલ્બર્ટ આઇન્સ્ટાઇન દ્વારા
દ્રવ્યમાન	૦ < 1×10−18 eV/c2
ચરઘાંતાકિય ક્ષય	સ્થાયિ
વિદ્યુતભાર	૦ < 1×10−35 e
પ્રચક્રણ	૧
સમતા (પૅરિટી)	-૧
C parity	-૧

ભૌતિક ગુણધર્મો

ફોટૉન દળરહિત અને વિદ્યુતભારરહિત સ્થાયી કણ છે. તે વિદ્યુતચુંબકીય બળ માટેનો ગાઉજ બોઝૉન (મૂળભૂત બળોનું વહન કરતાં કણોમે ગાઉજ બોઝૉન કહેવામાં આવે છે) છે, એટલે કે તે વિદ્યુતચુંબકિય બળનું વહન કરે છે. આથી ફોટૉનના બીજા ક્વૉન્ટમ આંક (જેવા કે લેપ્ટૉન આંક, બેરિયૉન આંક અને ફ્લૅવર ક્વૉન્ટમ આંક) નું મૂલ્ય શૂન્ય છે. ઉપરાંત ફોટૉન પોતે બોઝકણ હોવાથી પાઉલીના અપવર્જન નિયમનું પાલન કરતો નથી. ફોટૉન વિવિધ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા ઉત્પન્ન થઈ શકે છે. કોઈ પણ મૂળભૂત કણ અને તેનો પ્રતિકણ પરસ્પર સંપર્કમાં આવે ત્યારે બંને કણો વિઘટન પામીને ફોટૉન (ઊર્જા)માં રૂપાંતર પામે છે. જેમ કે ઈલેક્ટ્રૉન અને તેનો પ્રતિકણ પોઝિટ્રૉન પરસ્પર સંપર્કમાં આવે તો નિચે પ્રમાણે પ્રક્રિયા કરી બે ફોટૉનમાં રુપાંતર પામે છે.

e⁻
+
e⁺
 → 
γ
+
γ

ઈતિહાસ

થોમસ યંગ નામના વૈજ્ઞાનિકે તેના 'ડબલ સ્લિટ પ્રયોગ' દ્વારા ૧૮૦૧માં બતાવ્યું કે પ્રકાશ તરંગની જેમ ગતિ કરે છે.

હ્યુજીન્સ ક્રિશ્ચિયને (૧૬૨૯-૧૬૯૫) સૌપ્રથમ પ્રકાશની વર્તણૂક સમજાવવાનો પ્રયત્ન કર્યો હતો. તેમણે પ્રકાશને પાણી અને અને ધ્વનિના તરંગો સાથે સરખાવ્યો અને પ્રતિપાદિત કર્યું કે પ્રકાશ પણ તરંગ સ્વરૂપે પ્રસરે છે. ઉપરાંત તેમણે એ પણ બતાવ્યું કે ધ્વનિ શૂન્યાવકાશમાં પ્રસરતો નથી જ્યારે પ્રકાશ શૂન્યાવકાશમાં પ્રસરી શકે છે. આ રીતે હ્યુજીન્સે પ્રકાશનો તરંગવાદ સ્થાપિત કર્યો અને તેને આધારે પરાવર્તન, વક્રીભવન અને ધ્રૂવીભવનની ઘટનાઓ સમજાવી. ત્યારબાદ ન્યૂટને પ્રકાશનો કણ-વાદ પ્રસ્થાપીત કર્યો. ન્યૂટને બતાવ્યું કે પ્રકાશના સ્ત્રોતમાંથી કણો વછૂટે છે, તે કણ તરીકે પ્રસરે છે અને કણ તરીકે શોષાય છે. પ્રકાશનો આ કણવાદ બસો વર્ષ સુધી ચાલ્યો. ત્યારબાદ મૅક્સવેલે વિદ્યુતચુંબકીયવાદને આધારે સમજાવ્યું કે પ્રકાશનો તરંગવાદ સરળતાથી પ્રયોજી શકાય છે તથા તેના તરંગો લંબગત હોય છે.

પ્રકાશ અને વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ કણ સ્વરૂપે મળે છે, તેવો ખ્યાલ સૌપ્રથમ ૧૯૦૦માં જર્મન ભૌતિકવિજ્ઞાની મૅક્સ પ્લાંકે આપ્યો. પ્લાંકે પ્રતિપાદિત કર્યું કે પ્રકાશ અને વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ કણોના પ્રવાહ તરીકે મળે છે. આવા કણની ઊર્જાના જથ્થાને ક્વૉન્ટમ કહે છે. ઊર્જાનો ક્વૉન્ટમ એ વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોનું પૅકેટ (wave packet) છે આવા તરંગપૅકેટ અથવા ઊર્જાના ક્વૉન્ટમનું વિભાજન કરી શકાતું નથી. એટલે કે કોઈ પણ સંજોગોમાં ઊર્જાનો અપૂર્ણાંક ક્વૉન્ટમ મળી શકે નહિ, પણ ઓછી-વત્તી ઊર્જા ધરાવતો ક્વૉન્ટમ અથવા ફોટૉન મળી શકે છે. આઇન્સ્ટાઇની ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસર દ્વારા પ્રકાશના આ કણવાદને સમર્થન મળ્યું. આધુનિક ભૌતિકશાસ્ત્રમાં હ્યુજીન્સના તરંગવાદ અને ન્યૂટનના કણવાદનો સમન્વય કરવામાં આવ્યો છે. એટલે કે હવે એમ માનવામાં આવે છે કે પ્રકાશ તરંગ અને કણ (ફોટૉન) એમ બંને રીતે અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસર

આઇન્સ્ટાઇને બતાવ્યું કે, પ્રકાશ પરત્વે સંવેદનશીલ ધાતુ ઉપર યોગ્ય ઉચ્ચ આવૃત્તિનો પ્રકાશ આપાત કરવામાં આવે તો ધાતુની સપાટીમાંથી ઈલેક્ટ્રૉનનું ઉત્સર્જન થાય છે. આ ઘટનાને ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસર કહે છે. ઉત્સર્જિત ઈલેક્ટ્રૉનને ફોટોઈલેક્ટ્રૉન કહે છે, જે ફોટોઈલેક્ટ્રિક વિજપ્રવાહ રચે છે. આ ઘટનાની શોધ માટે આઇન્સ્ટાઇનને ૧૯૨૧નુ ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબૅલ પારિતોષિક એનાયત થયું હતું. આ ઘટના પ્રકાશના તરંગસ્વરૂપ વડે સમજાવી શકાતી નથી. અર્થાત્ આ ઘટના સમજાવવા માટે પ્રકાશને કણ એટલે કે ફોટૉન તરીકે સ્વિકારવો પડે છે. ઉચ્ચ આવૃત્તિ ધરાવતો ફોટૉન જ ધાતુમાંથી ઈલેક્ટ્રૉન મુક્ત કરી શકે છે, કારણ કે આવા ફોટૉન પાસે પૂરતી ઊર્જા હોય છે; જ્યારે તરંગ પાસે ઈલેક્ટ્રૉનને ધાતુની સપાટીમાંથી મુક્ત કરવા પર્યાપ્ત ઊર્જા હોતી નથી. આમ, ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસરમાં ફોટોનને વિદ્યુતચુંબકીય ઊર્જા (પ્રકાશ)નો ક્વૉન્ટમ માનવામાં આવ્યો છે. જો ફોટૉન વધુ ઊર્જા ધરાવતો હોય તો તે ઈલેક્ટ્રૉનને વધુ ઊર્જા આપી શકે છે. આવો ઈલેક્ટ્રૉન વધુ ઊર્જા સાથે ધાતુમાંથી બહાર આવે છે. તે જ રીતે કાળ પદાર્થ વડે ઉત્સર્જિત થતું વિકિરણ પણ ફોટૉન વડે જ સમજાવી શકાય છે.

૧૯૦૫માં આઇન્સ્ટાઇને બતાવ્યું કે ફોટૉનની ઊર્જાનો આધાર તેની તરંગલંબાઈ (λ) અથવા આવૃત્તિ (ν) ઉપર હોય છે. ફોટૉનની ઊર્જા (E) નીચે મુજબ દર્શાવિ શકાય:

$E=h\nu$

જ્યાં:

• $h$ પ્લાંકનો અચળાંક
• $\nu$ વિકિરણની આવૃત્તિ

વિકિરણની આવૃત્તિ (ν) પ્રકાશની તરંગલંબાઈ (λ)ના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે.

માટે,

$\nu ={\frac {c}{\lambda }}$

માટે, ફોટૉનની ઊર્જા

$E={\frac {hc}{\lambda }}$

અને ફોટૉનનું વેગમાન

$p={\frac {h}{\lambda }}.$

• $c$ પ્રકાશનો વેગ છે

કૉમ્પ્ટન અસર

અમેરિકન ભૌતિકશસ્ત્રી આર્થર કૉમ્પ્ટને ૧૯૨૩માં 'કૉમ્પ્ટન અસર'ના નામે જાણીતી ઘટના શોધી. આ ઘટના દ્વારા પ્રકાશ કે વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણની કણપ્રકૃતિ સુનિશ્ચિત થઈ. ઍક્સ કિરણનો ફોટૉન જ્યારે ઈલેક્ટ્રૉન સાથે અથડાય છે ત્યારે બંને કણો આવર્તન પામે છે, અને પરિણામે બંને કણ તેમના મૂળ માર્ગથી વિચલિત થાય છે. અહીં ઍક્સ-કિરણોનો ફોટૉન ઈલેક્ટ્રૉનને ઊર્જા આપે છે આથી ફોટૉનની ઊર્જામાં ઘટાડો થાય છે અને તેની તરંગલંબાઈમાં વધારો થાય છે. આ ઘટનાની શોધ માટે કૉમ્પ્ટનને ૧૯૨૭ના વર્ષનુ ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું હતું.